CN104919328A - 磁传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁传感器及其制造方法。在具备磁阻元件的磁传感器中，不能得到良好的灵敏度特性并不能判断磁场的施加方向。本发明的磁传感器具有：一对永久磁铁，其隔开间隔而被配置为异极彼此对置；和磁阻阵列，其被配置于上述一对永久磁铁之间，上述磁阻阵列的4个磁阻元件被配置为其相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且上述4个磁阻元件被桥电路连接，上述一对永久磁铁与上述磁阻阵列被配置为与磁场检测方向实质上正交的方向和上述一对永久磁铁问的磁场方向既不平行也不垂直。

Description

磁传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁传感器及其制造方法，特别地，涉及具备磁阻元件的磁传感器及其制造方法。

背景技术

一般的磁阻元件使用铁(Fe)-镍(Ni)合金的强磁性铁镍合金的薄膜，以提高灵敏度和除去同相噪声为目的，通过4个磁阻元件构成桥电路、所谓的威特斯通桥(Wheatstone bridge)电路。图7A是表示相关磁阻元件的图案的俯视图，图7B是该电路框图。针对桥电路，如图7A所示，规定Y轴向以及X轴向来进行说明。若增加Y轴向的磁场强度，则磁阻元件R1以及R4的阻值变小，中点电压的差(V+与V-的电压差)变大。相反地，若增加X轴向的磁场强度，则磁阻元件R2以及R3的阻值变小，中点电压的差(V+与V-的电压差)的符号相反并变小。根据中点电压的差(V+与V-的电压差)，磁传感器能够检测磁场方向。

在专利文献1中，提出了一种如下的磁传感器：使异极对置来配置2个薄膜磁铁，将螺旋型的强磁性薄膜磁阻元件配置在2个薄膜磁铁所作的磁场的中心附近。并且，记载了使检测磁场方向相对于2个薄膜磁铁所产生的偏置磁场方向为直角方向，能够得到与外部磁场变化成正比的输出。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平成6-148301号公报

发明内容

-发明要解决的课题-

但是，上述的背景技术所述的相关磁传感器中存在以下问题。

图8A是表示相关磁传感器的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表，表示中点电压的差(V+与V-的电压差)与Y轴的磁场强度的一般特性。在磁场强度为0mT时，差电压也为0mY。但是，0mT附近的磁场强度与中点电压的差的线性相对变得不好。进一步地，由于磁阻元件的磁畴壁容易进行不连续的运动，因此如图8B所示，产生由磁场强度的UP和DOWN所导致的滞后现象。关于Y轴向，若将N→S方向的磁场强度从正值向上述0mT减少，则在磁场强度为0mT时，差电压为超过0mY的正值。相反地，关于Y轴向，若将S→N方向的磁场强度从正值向上述0mT减少，则在磁场强度为0mT时，差电压为比上述正值小的0mY。为了精密的角度检测，需要抑制滞后现象的产生。

进一步地，在相关磁传感器中，如图8A以及图8B所示，S→N方向与N→S方向的特性曲线相互对称。因此，存在不能判断磁场的方向从中点电压的差(V+与V-的电压差)起是向S→N方向还是向N→S方向的问题。即使使用专利文献1的磁传感器也不能解决该问题。

本发明的目的在于，提供一种解决上述问题、即解决在具备磁阻元件的磁传感器中，不能得到良好的灵敏度特性，不能判断磁场的施加方向的问题的磁传感器及其制造方法。

-解决课题的手段-

为了实现所述目的，本发明所涉及的磁传感器具有：一对永久磁铁，隔开间隔而被配置为异极彼此对置；和磁阻阵列，其被配置于上述一对永久磁铁之间，上述磁阻阵列的4个磁阻元件被配置为相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且上述4个磁阻元件被桥电路连接，上述一对永久磁铁与上述磁阻阵列被配置为与磁场检测方向实质上正交的方向和上述一对永久磁铁间的磁场方向既不平行也不垂直。

本发明所涉及的磁传感器的制造方法具备：将一对永久磁铁隔开间隔并配置为异极彼此对置的工序；和4个磁阻元件配置与为相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且将上述4个磁阻元件被桥电路连接而成的磁阻阵列配置在上述一对永久磁铁之间的工序，还包含将上述4个磁阻元件的阻值如下调整的工序：针对从第1方向到与上述第1方向相反方向的第2方向的磁场，上述桥电路的对置的连接点的差电压表现正值，针对从上述第2方向到上述第1方向的磁场，上述差电压表现负值。

-发明效果-

根据本发明的磁传感器，能够得到良好的灵敏度特性，能够判断磁场施加方向。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的结构的示意图。

图2A是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的结构的示意图。

图2B是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的Y轴的磁场强度与V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图3A是表示对桥电路配置了一对永久磁铁时的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图3B是表示由一对永久磁铁引起的偏置磁场的方向的图。

图3C是表示对构成桥电路的磁阻元件的阻值进行了调整后的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图4A是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的变形例的结构的示意图。

图4B是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的变形例的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图5A是表示不同图案的桥电路的示意图。

图5B是表示图5A的桥电路的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图6A是表示本发明的第2实施方式所涉及的磁传感器的结构的示意图。

图6B是表示本发明的第2实施方式所涉及的磁传感器的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图7A是表示相关磁阻元件的图案的俯视图。

图7B是图7A的电路框图。

图8A是表示相关磁传感器的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图8B是用于对相关磁传感器的滞后现象进行说明的、表示Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

具体实施方式

参照附图，对本发明优选的实施方式进行详细说明。

〔第1实施方式〕

首先，对基于本发明的第1实施方式的磁传感器及其制造方法进行说明。图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的结构的示意图。图2A是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的结构的示意图。图2B是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图3A是表示对桥电路配置了一对永久磁铁时的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。图3B是表示由一对永久磁铁引起的偏置磁场的方向的图。图3C是表示对构成桥电路的磁阻元件的阻值进行了调整后的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

本发明所涉及的磁传感器具备：隔开间隔而被配置为异极彼此对置、即N极与S极对置的一对永久磁铁2a以及2b、和被配置于上述一对永久磁铁2a以及2b之间的磁阻阵列1。磁阻阵列1的由磁性体薄膜形成并检测磁场的方向的4个磁阻元件R1～R4被配置为其相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且上述4个磁阻元件R1～R4被桥电路连接。

如图1所示，将磁阻阵列1配置为X轴向与磁阻元件R1以及R4的图案较长的一方一致，Y轴向与磁阻元件R2以及R3的图案较长的一方一致。也就是说，磁阻元件R1以及R4被以锯齿形状配置为与X轴向平行的方向为最大检测方向，磁阻元件R2以及R3被以锯齿形状配置为与Y轴向平行的方向为最大检测方向。

并且，将一对永久磁铁2a以及2b与磁阻阵列1配置为与磁场检测方向实质上正交的方向和一对永久磁铁2a以及2b间的磁场方向既不平行也不垂直。也就是说，如图2A所示，将一对永久磁铁2a以及2b与磁阻阵列1配置为从永久磁铁2a的N极向永久磁铁2b的S极的磁力线与X轴向成规定的角度θ。该角度θ被在5°至85°的范围内选择。

在角度θ较小的情况下，图3C的中心点的C点向B点侧移动，N→S方向的磁场检测的范围变宽，而S→N方向的磁场检测变窄。因此，磁传感器只在N→S方向的检测的情况下有利。

在角度θ较大的情况下，图3C的中心点的C点向A点侧移动，S→N方向的磁场检测的范围变宽，而N→S方向的磁场检测变窄。因此，磁传感器只在S→N方向的检测的情况下有利。

通过在磁阻元件的两端配置永久磁铁2a以及2b，从而在X轴向与Y轴向这两个方向上施加偏置磁场。X轴的偏置磁场强度是饱和磁场强度HS，在没有应检测的外部磁场时，磁阻元件的磁化方向也与X轴向一致，磁畴壁的不连续的运动减少，滞后现象也减少。优选地，Y轴向的偏置磁场强度设定为饱和磁场强度HS的一半。图3B表示此时的基于由一对永久磁铁2a以及2b引起的偏置磁场的矢量的X轴向以及Y轴向的部分量。Y轴向的磁场强度为X轴向的磁场强度的1/2的上述角度θ大致为26.5°。饱和磁场强度HS能够根据磁阻元件的尺寸(长度、宽度、厚度)来决定。

在未施加外部磁场的状态下，磁阻元件的中心的磁场强度H由两个永久磁铁2a以及2b决定。若对桥电路配置一对永久磁铁2a以及2b，则通过一对永久磁铁2a以及2b的偏置磁场，磁畴变少，磁畴壁消失，构成桥电路的磁阻元件的磁状态稳定化。通过由一对永久磁铁2a以及2b引起的偏置磁场，Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的特性变成如图3A那样。由于X轴向的偏置磁场较强，因此C点的中点电压的差(V+与V-的电压差)为负值。在仅在Y轴向施加磁场的情况下，“0”mT的点为C点。由N→S方向的磁场导致的中点电压的差(V+与V-的电压差)的曲线为CA，由S→N方向的磁场导致的中点电压的差(V+与V-的电压差)的曲线为CB。在图3A中，针对N→S方向的磁场，从点C变化为点A。也就是说，桥电路的中点电压V+与V-的电压差从负值变化为正值。在图3A中，针对S→N方向的磁场，从点C变化为点B。也就是说，V+与V-的电压差从负值变化为更小的负值。

在本实施方式的磁传感器中，也可以将上述4个磁阻元件R1～R4的阻值如下调整：针对从作为第1方向的一个例子的Y轴的正向到作为与第1方向相反方向的第2方向的一个例子的Y轴的负向的磁场，上述桥电路的中点电压的差(V+与V-的电压差)表现正值，针对从上述Y轴的负向到上述Y轴的正向的磁场，上述中点电压差表现负值。

也就是说，通过调整磁阻元件R1～R4的阻值，使图3A中的“0”mT的点C点移动到D点，如图3C的特性所示，能够使偏移电压为零。

在Y轴上施加N→S方向的磁场的情况下，桥电路的中点电压的差(V+与V-的电压差)为正侧的C点与A点的曲线，在施加S→N方向的磁场的情况下，为负侧的C点与B点的曲线。

若这样设定，则Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的特性变为图3C那样。在图3C中，针对N→S方向的磁场，从点C变化为点A。也就是说，V+与V-的电压差从零变化为正值。并且，针对S→N方向的磁场，从点C变化为点B。也就是说，V+与V-的电压差从零变化为负值。

根据本实施方式的磁传感器，针对N→S方向的磁场，桥电路的V+与V-的电压差表现正值，针对S→N方向的磁场，桥电路的V+与V-的电压差表现负值。因此，能够得到能够根据桥电路的中点电压的差来判断磁场方向的磁传感器。

进一步根据基于本实施方式的磁传感器，CA与CB的曲线较好地平衡，以C点为中心点从而灵敏度特性的线性被很大改善。进一步地，由磁场施加的UP和DOWN所导致的磁阻元件的滞后现象几乎消失。

上述的第1实施方式的磁传感器也能够如下构成。图4A是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的变形例的结构的示意图。图4B是表示本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的变形例的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图4A所示的磁传感器在针对图1A所示的磁传感器的一对永久磁铁2a以及2b，使用将S极与N极交换了的一对永久磁铁2c以及2d这方面不同。在该变形例中，构成磁阻阵列1和桥电路的磁阻元件的形状、配置等与图1A所示的磁阻阵列1相同。在这样配置的磁传感器中，如图4B所示，表示与图3C的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量相同的特性。

在这样的变形例中，也与基于上述第1实施方式的磁传感器同样地，灵敏度特性的线性被很大改善，能够判断S→N方向或者N→S方向的磁场施加方向，由磁场施加的UP和DOWN所导致的磁阻元件的滞后现象几乎消失。

〔第2实施方式〕

接下来，对基于本发明的第2实施方式的磁传感器及其制造方法进行说明。图5A是表示不同图案的桥电路的示意图，图5B是表示该桥电路的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。图6A是表示本发明的第2实施方式所涉及的磁传感器的结构的示意图，图6B是表示本发明的第2实施方式所涉及的磁传感器的Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的变动量的关系的图表。

图5A表示与图1所示的第1实施方式的磁传感器的磁阻阵列1不同图案的桥电路。也就是说，在图5A的桥电路中，为图1所示的磁传感器的磁阻阵列1左右反转了的图案。如图5A所示，磁阻元件R1以及R4被以锯齿形状配置为与Y轴向平行的方向为最大检测方向，磁阻元件R2以及R3被以锯齿形状配置为与X轴向平行的方向为最大检测方向。

在这样图案的桥电路的情况下，Y轴的磁场强度和中点电压的差(V+与V-的电压差)的特性变为图5B那样。关于Y轴向，若使N→S方向的磁场强度从0mT增加，则中点电压的差(V+与V-的电压差)从点B减少为点C，进一步减少到点A表现负值。关于Y轴向，若使S→N方向的磁场强度从0mT增加，则中点电压的差(V+与V-的电压差)从点B减少并表现负值。在图5B中，S→N方向与N→S方向的特性曲线相互对称。

本实施方式的磁传感器表示使用这样图案的桥电路的情况。本实施方式的磁传感器如图6A所示，具备：隔开间隔而被配置为异极彼此对置、即N极与S极对置的一对永久磁铁2a以及2b、和被配置于上述一对永久磁铁2a以及2b之间的磁阻阵列1a。磁阻阵列1a的由磁性体薄膜形成并检测磁场的方向的4个磁阻元件R1～R4被配置为其相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且上述4个磁阻元件R1～R4被桥电路连接。

如图6A所示，将磁阻阵列1a配置为X轴向与磁阻元件R2以及R3的图案较长的一方一致，Y轴向与磁阻元件R1以及R4的图案较长的一方一致。也就是说，磁阻元件R2以及R3被以锯齿形状配置为与X轴向平行的方向为最大检测方向，磁阻元件R1以及R4被以锯齿形状配置为与Y轴向平行的方向为最大检测方向。

上述一对永久磁铁2a、2b与磁阻阵列1a被配置为与磁传感器的磁场检测方向实质上正交的方向和一对永久磁铁2a、2b间的磁场方向既不平行也不垂直。如图6A所示，将一对永久磁铁2a以及2b与磁阻阵列1a配置为从永久磁铁2a的N极到永久磁铁2b的S极的磁力线与X轴向成规定的角度θ。该角度θ被在5°至85°的范围内选择。优选地，将Y轴向的磁场强度设定为X轴向的磁场强度的1/2。此时的上述角度θ大致为26.5°。

在本实施方式中，能够将上述4个磁阻元件R1～R4的阻值如下调整：针对从作为第1方向的一个例子的Y轴的负向到作为与第1方向相反方向的第2方向的一个例子的Y轴的正向的磁场，上述桥电路的对置连接点V+以及V-的差电压表现正值，针对从上述Y轴的正向到上述Y轴的负向的磁场，上述差电压表现负值。

若这样设定，则Y轴的磁场强度和V+与V-的电压差的特性变为图6B那样。在图6B中，针对N→S方向的磁场，从点C变化为点A。也就是说，中点电压的差(V+与V-的电压差)从零变化为负值。并且，针对S→N方向的磁场，从点C变化为点B。也就是说，中点电压的差(V+与V-的电压差)从零变化为正值。

根据本实施方式的磁传感器，针对N→S方向的磁场，桥电路的V+与V-的电压差表现负值，针对S→N方向的磁场，桥电路的V+与V-的电压差表现正值。因此，能够得到能够根据桥电路的中点电压的差来判断磁场方向的磁传感器。

根据基于本实施方式的磁传感器，与基于第1实施方式的磁传感器同样地，灵敏度特性的线性被很大改善，能够判断S→N方向或者N→S方向的磁场施加方向，由磁场施加的UP和DOWN所导致的磁阻元件的滞后现象几乎消失。

实施例

对本发明的实施例进行说明。针对图1所示的在两端配置了永久磁铁的磁阻元件，说明具体的图案的一个例子。构成桥电路的长方形图案的长度为230μm，宽度为9μm。图案间隔为2μm。磁阻元件R1、R2、R3以及R4的图案由21个长方形图案连结构成。元件薄膜的厚度为400nm。

一对永久磁铁分别长度为1.5mm，宽度为0.6mm，厚度为0.2mm。永久磁铁的材料是铁氧体磁铁。永久磁铁与X轴向的角度是154°。因此，从对置的永久磁铁的N极向S极的磁力线与X轴向的角度为26°。永久磁铁通过磁阻元件或者磁传感器的组装工序(密封)，固定配置在同一基板上。

本发明并不限定于上述实施方式以及上述实施例，在权利要求书所述的发明范围内能够进行各种变形，这些也包含于本发明的范围。

本申请主张以2013年1月18日提出的日本申请特願2013-7348号为基础的优先权，这里包含其公开的全部。

产业上的可利用性

作为本发明的活用例，认为有水表和煤气表的旋转检测、磁电流传感器、电机的编码器等。

-符号说明-

1、1a 磁阻阵列

2a、2b、2c、2d 永久磁铁

R1～R4 磁阻元件

Claims (9)

1.一种磁传感器，具有：

一对永久磁铁，隔开间隔而被配置为异极彼此对置；和

磁阻阵列，其被配置于所述一对永久磁铁之间，

所述磁阻阵列的4个磁阻元件被配置为相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且所述4个磁阻元件被桥电路连接，

所述一对永久磁铁与所述磁阻阵列被配置为：与磁场检测方向实质上正交的方向和所述一对永久磁铁间的磁场方向既不平行也不垂直。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，

所述4个磁阻元件的阻值构成为：针对从第1方向到与所述第1方向相反方向的第2方向的磁场，所述桥电路的对置的连接点的差电压表现正值，针对从所述第2方向到所述第1方向的磁场，所述差电压表现负值。

3.根据权利要求1或者2所述的磁传感器，其中，

所述4个磁阻元件的阻值被构成为：针对从所述第1方向到所述第2方向的磁场，所述差电压表现正值并单调增加，针对从所述第2方向到所述第1方向的磁场，所述差电压表现负值并单调减少。

4.根据权利要求1至3的任意一项所述的磁传感器，其中，

所述4个磁阻元件中位于对角的2个磁阻元件是如下结构：沿着与磁场检测方向实质上正交的方向的多个区域以规定间隔平行配置，连结为依次折回，是电串联连接的锯齿状，

所述4个磁阻元件中剩余的2个磁阻元件是如下结构：沿着与所述磁场检测方向实质上平行的方向的多个区域以规定间隔平行配置，连结为依次折回，是电串联连接的锯齿状。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的磁传感器，其中，

与所述磁场检测方向实质上正交的方向和所述一对永久磁铁间的磁场方向所成的角度是5度至85度的范围。

6.根据权利要求5所述的磁传感器，其中，

所述角度为大约26.5度。

7.根据权利要求1至6的任意一项所述的磁传感器，其中，

所述第1方向以及所述第2方向与所述磁场检测方向平行。

8.根据权利要求1至6的任意一项所述的磁传感器，其中，

所述第1方向以及所述第2方向与和所述磁场检测方向实质上正交的方向平行。

9.一种磁传感器的制造方法，具备：

将一对永久磁铁隔开间隔并配置为异极彼此对置的工序；和

4个磁阻元件配置为相邻的元件彼此的最大检测方向相互不同，并且将所述4个磁阻元件被桥电路连接而成的磁阻阵列配置在所述一对永久磁铁之间的工序，

还包含将所述4个磁阻元件的阻值如下调整的工序：

针对从第1方向到与所述第1方向相反方向的第2方向的磁场，所述桥电路的对置的连接点的差电压表现正值，针对从所述第2方向到所述第1方向的磁场，所述差电压表现负值。